Мусорная ДНК

Не один год Xist-РНК считалась аномалией, странным молекулярным «выбросом», оказывающим чрезвычайно необычное влияние на экспрессию генов. Даже когда открыли Tsix, все равно многие считали возможным полагать, будто мусорные РНК участвуют лишь в жизненно необходимом, но уникальном процессе X-инактивации. Только в последние годы ученые начали осознавать, что человеческий геном экспрессирует тысячи молекул такого типа, и что они играют неожиданно важную роль в нормальном функционировании клеток.

Сегодня мы относим Xist- и Tsix-РНК к обширному классу длинных некодирующих РНК. Этот термин не очень точен: конечно же, имеются в виду РНК, которые не кодируют белки. Как мы увидим, длинные некодирующие РНК преспокойно кодируют другие функциональные молекулы. И эти функциональные молекулы сами представляют собой длинные некодирующие РНК.

Длинные некодирующие РНК определяются как молекулы, длина которых превышает 200 нуклеотидных оснований (цифра взята довольно-таки произвольно) и которые не кодируют белки, что отличает их от информационной РНК. Двести оснований — нижний предел размера. Самые крупные из таких некодирующих РНК могут насчитывать по сотне тысяч оснований. Подобных РНК множество, хотя ученые расходятся во мнении относительно их общего числа. По различным оценкам, в геноме человека их содержится от 10 тысяч до 32 тысяч^1,2,3,4. Но хотя длинных некодирующих РНК существует много, уровень их экспрессии обычно не так высок, как у классических информационных РНК, кодирующих белки — как правило, менее 10% от уровня экспрессии средней информационной РНК⁵.

Такая сравнительно низкая экспрессия любой из длинных некодирующих РНК — одна из причин, по которым на них до недавних пор не обращали особого внимания. В сущности, при анализе экспрессии молекул клеточной РНК длинные некодирующие РНК раньше просто не удавалось надежно детектировать, поскольку методы анализа не отличались достаточной чувствительностью. Но теперь ученые знают о существовании таких РНК, а следовательно, могли бы полагать, что сумеют полностью проанализировать геном любого организма (в том числе и человеческого) и предсказать существование таких РНК, просто исходя из вида ДНК-последовательности. В конце концов, генетики отлично научились делать такие предсказания для генов, кодирующих белки.

Однако для длинных некодирующих РНК это не так-то просто по целому ряду причин. Известно, как идентифицировать предполагаемые гены, кодирующие белки, поскольку такие гены обладают некоторыми удобными свойствами. Возле начала и конца таких генов есть определенные последовательности, которые помогают нам их искать. Кроме того, они кодируют предсказанные нами аминокислотные звенья, что еще больше укрепляет нас в уверенности: мы имеем дело с геном, кодирующим белок. Наконец, большинство генов, кодирующих белки, окажутся похожими, если рассматривать определенный ген у разных видов. А значит, выявив «классический» ген у животного вроде иглобрюха, легко будет в дальнейшем использовать найденную последовательность как основу для анализа человеческого генома с целью выяснения, имеется ли похожий ген у нас самих.

Но длинные некодирующие РНК не имеют таких ярко выраженных нуклеотидных индикаторов (в отличие от генов, кодирующих белки). Кроме того, у разных видов они сильно отличаются. Таким образом, знание нуклеотидной последовательности длинной некодирующей РНК какого-то другого вида едва ли поможет нам идентифицировать функционально схожую с ней последовательность в геноме человека. Менее 6% из представителей одного специфического класса длинных некодирующих РНК рыбы данио-рерио, популярного модельного животного, явно имеют аналогичные последовательности у мышей и человека⁶. Лишь примерно 12% представителей того же класса длинных некодирующих РНК, обнаруживаемых у человека и мышей, можно найти у каких-то других животных^7,8. Такое сравнительно слабое сохранение длинных некодирующих РНК в разных видах подтвердилось в ходе недавнего исследования, где сравнивалась экспрессия длинных некодирующих РНК из различных тканей разных видов четвероногих. Четвероногие (тетраподы) — все сухопутные позвоночные, в том числе и те, что «вернулись в море» (скажем, киты или дельфины). Исследователи сообщают, что 11 тысяч длинных некодирующих РНК обнаруживаются лишь у приматов. Лишь 2500 таких РНК являются общими для всех тетрапод, и только 400 из них можно отнести к древним, то есть (по определению авторов исследования) к таким, которые возникли свыше 300 миллионов лет назад, примерно в ту эпоху, когда разошлись эволюционные пути амфибий и других тетрапод. Авторы полагают, что эти древние длинные некодирующие РНК — как раз те, которые во всех организмах регулируются наиболее активно, и что они, вероятно, играют роль главным образом на ранних стадиях развития организма⁹. На самых ранних стадиях эмбриогенеза большинство позвоночных выглядят очень похоже. Так что логично предположить: в самом начале нашей жизни мы и все наши близкие и дальние эволюционные родичи используем схожие пути и механизмы развития.

Несходство длинных некодирующих РНК у разных видов (наблюдающееся почти повсеместно) заставило некоторых авторов счесть, что такие РНК вообще не играют важной роли. Ведь если бы они имели большое значение, то меньше бы менялись в ходе эволюции и развития видов. На самом же деле последовательности, которые содержат код для этих «мусорных» РНК, эволюционируют гораздо стремительнее, чем последовательности, кодирующие белки.

Что ж, логично. Однако здесь все-таки есть чрезмерное упрощение. Возможно, длинные некодирующие РНК и длинны по количеству содержащихся в них нуклеотидных оснований, но это не обязательно значит, что они представляют собой какие-то вытянутые волокна, плавающие в клетке. Дело в том, что длинные молекулы РНК способны складываться, образуя трехмерные структуры. Нуклеотидные основания РНК образуют пары, почти по тем же правилам, которым следуют две соединяющиеся нити ДНК. Но РНК — молекула однонитевая, поэтому ее нуклеотидные основания спариваются лишь на сравнительно коротких отрезках. В итоге молекула изгибается, принимая сложные, но стабильные формы. Эти трехмерные структуры могут играть очень важную роль в функционировании длинной некодирующей РНК. Вполне возможно, что сама такая трехмерная структура во многом схожа у разных видов, даже если ее нуклеотидная последовательность у них сильно отличается¹⁰. Это показано на рис. 8.1. К сожалению, трудно строить предсказания насчет схожести таких структур, основываясь на данных о нуклеотидной последовательности. Но такая методика все же полезна для нахождения функционально устойчивых длинных некодирующих РНК.

Рис. 8.1. Схема показывает, как две однонитевые молекулы длинной некодирующей РНК с различными нуклеотидными последовательностями могут образовывать структуру одной и той же формы. Структура определяется правилами образования пар. Нуклеотид А связывается только с У, а нуклеотид Ц — только с Г (они показаны квадратиками с различной окраской или узором). Перед вами упрощенная схема. На самом деле длинные некодирующие РНК могут обладать множеством участков, способных формировать сложные структуры. Кроме того, эти структуры трехмерны (здесь они для простоты изображены как плоские).

Бревна или щепки?

Из-за трудностей, которые возникают при выявлении длинных некодирующих РНК в нуклеотидной последовательности человеческого генома, большинство исследователей сейчас склоняются к более прагматичному подходу их идентификации — детектируют сами эти молекулы непосредственно в клетках. Однако в научном сообществе нет единого мнения насчет интерпретации результатов таких изысканий. Ярые сторонники мусорных последовательностей могли бы заявить: если какая-то последовательность экспрессируется как длинная некодирующая молекула РНК, эта молекула экспрессируется так по какой-то причине. Другие ученые настроены более скептически. Они утверждают, что такая экспрессия длинных некодирующих РНК — просто «сопутствующее событие». Иными словами, они считают, что экспрессия длинных некодирующих РНК — просто своего рода побочный эффект, возникающий при включении «настоящего» гена.

Что же имеется в виду под «сопутствующим событием»? Допустим, мы отпиливаем сучья бензопилой. Основная цель нашей деятельности — получить бревна, чтобы построить дом или приготовить дрова для печки. Мы не стараемся получить щепки или опилки, но они все равно возникают в результате работы бензопилы. Незачем тратить силы, пытаясь избежать щепок. Они, в общем-то, не мешают выполнению нашей основной задачи. А если мы все-таки найдем способ от них избавиться, это может снизить эффективность производства бревен. А кроме того, ведь мы можем случайно натолкнуться на метод использования щепок и опилок (побочного продукта нашего производства). К примеру, для мульчирования почвы в цветочном горшке или при устройстве логова для ручной змеи.

Вот и «мусорные скептики» заявляют: экспрессия длинных некодирующих РНК попросту означает, что при экспрессии генов, происходящей на каком-то участке, уменьшается подавление экспрессии другого генетического материала. В рамках этой модели производство длинных некодирующих РНК — всего лишь неизбежное следствие важного процесса. Неизбежное, но, в общем-то, несущественное и безвредное. Между тем «мусорные энтузиасты» возражают: такая модель не объясняет некоторых особенностей экспрессии длинной некодирующей РНК. Например, различные типы таких РНК экспрессируются при анализе образцов тканей различных областей мозга¹¹. Сторонники важной роли длинных некодирующих РНК заявляют: это свидетельствует о существенном значении таких молекул, иначе зачем бы разным зонам мозга включать разные длинные некодирующие РНК? Скептики возражают: различные длинные некодирующие РНК обнаруживаются лишь из-за того, что разные области мозга включают разные «классические» гены, кодирующие белки. Иными словами, опилки при разделывании дуба и сосны получаются разные, ничего удивительного.

Пока еще рано делать выводы. Получаемые сегодня данные позволяют дать один совет сторонникам двух этих крайних точек зрения: «Вам не мешало бы немного отдохнуть от споров». Скорее всего, истина где-то посередине. Существует только один по-настоящему надежный способ проверить гипотезу, согласно которой длинные некодирующие РНК выполняют какие-то функции в клетке. Этот способ состоит в том, чтобы проверить каждую из таких РНК в подходящем типе клеток. Подход представляется весьма разумным. Впрочем, он не столь прямолинеен, как может показаться. Отчасти причина этого кроется просто-напросто в цифрах. Если мы возьмемся детектировать сотни или даже тысячи различных длинных некодирующих РНК в клетке или в ткани, придется волей-неволей принимать решения, что же именно анализировать. Но для этого нужно предварительно иметь гипотезу насчет того, что эта конкретная длинная некодирующая РНК делает в клетке. Без такой гипотезы мы не будем знать, какие эффекты нам искать.

Есть и еще одна трудность. Многие из этих длинных некодирующих РНК находятся в той же области, что и «классические» гены, кодирующие белки. Иногда они могут находиться в той же самой позиции, просто на противоположной нити, как мы видели на примерю Xist и Tsix (см. главу 7). Другие такие РНК могут находиться на «мусорных» участках, лежащих между двумя областями одного и того же гена, кодирующими аминокислоты. (Впервые мы встретились с таким явлением, обсуждая атаксию Фридрейха в главе 2.) Существует масса способов расположения длинных некодирующих РНК. Это вызывает существенные экспериментальные затруднения при попытке исследовать функции нуклеотидных последовательностей.

Обычно функции генов проверяются при помощи их целенаправленного мутирования. Можно применять самые разные мутации, но чаще всего используются такие, которые либо выключают изучаемый ген, либо приводят к тому, что уровень его экспрессии начинает превышать норму. Но поскольку такое большое количество длинных некодирующих РНК пространственно перекрываются с генами, кодирующими белки, трудно внести мутацию в одно, не внося при этом мутацию в другое. А значит, перед нами встает очередная проблема: как определить, чем обусловлены наблюдаемые эффекты — изменением в длинной некодирующей РНК или изменением в гене, кодирующем белок?

Вот довольно легкомысленная аналогия. Один аспирант изучал слух лягушек. Он смастерил экспериментальную систему, которая позволяла ему определять, слышит ли лягушка (у которой он хирургическим путем кое-что удалил) громкий звук, в данном случае — пистолетный выстрел. Однажды он прибежал к своей научной руководительнице, радостно крича, что выяснил, как слышат лягушки. «Они слышат лапками!» — объявил он наставнице, которая восприняла эту новость с веселым удивлением. Когда она осведомилась, почему он так в этом уверен, молодой ученый ответил: «Всё просто. Обычно если я стреляю, лягушка слышит этот звук и подпрыгивает от испуга. Но когда я удалил ей лапки, они перестала подпрыгивать, когда я делаю выстрел. А значит, она слышит лапками[21].

Разумеется, теоретически вполне возможно, что некоторые неожиданные эффекты, иногда наблюдаемые при внесении мутаций в гены, кодирующие белки, обусловлены не выявленными нами изменениями в расположенных близ этих генов длинных некодирующих РНК, о присутствии которых мы даже не подозревали, когда проводили эксперимент.

Из-за такого потенциального взаимовлияния длинных некодирующих РНК и генов, кодирующих белки, многие ученые решили сосредоточить усилия на наборе длинных некодирующих РНК, которые не располагаются в этих областях. Выбор здесь велик: в такую категорию попадает как минимум 3500 длинных некодирующих РНК. Многие авторы склонны относить эти «более отдаленные от генов» длинные некодирующие РНК к отдельному классу. Они получили свое наименование[22]^,12. Впрочем, стоит иметь в виду, что при этом мы классифицируем такие молекулы по тому, что они не делают: они не располагаются в областях, где сидят гены, кодирующие белки. Вероятно, тем самым мы сгребаем большое количество длинных некодирующих РНК в один класс, хотя многие его представители могут сильно отличаться друг от друга по функциям.

Стремление поспешно создавать категории и классификации — давняя проблема в геномном анализе. Ученые ограничивают себя рамками определений, не обретя достаточного понимания биологических процессов. Представьте, что вы никогда в жизни не смотрели кино. И вдруг в течение недели вы увидели «Цилиндр», «Поющих под дождем», «Хорошего, плохого, злого», «Ровно в полдень», «Звуки музыки», «Великолепную семерку», «Кабаре», «Железную хватку», «Непрощенного» и «Вестсайдскую историю». Если вас попросят разбить эти фильмы на категории, вы можете сказать, что они относятся к двум жанрам — мюзиклам и вестернам. Отлично. Но что произойдет на следующей неделе, когда вы познакомитесь с «Дневником Бриджит Джонс» и «Гравитацией»? Или с такими картинами, как «Золото Калифорнии», «Семь невест для семерых братьев» или «Джейн-Катастрофа» — фильмами, где есть и песни с танцами, и ковбои? Вы не сумеете втиснуть эти картины в жанровые определения, которые сами же поспешили создать, еще толком не изучив кинематографического ландшафта. По той же причине не следует создавать чересчур большого количества отдельных классов длинных некодирующих РНК. Лучше сосредоточиться на реальных экспериментальных данных и на том, что они позволяют выяснить.

Хорошее начало жизни — половина дела

Необходимо в течение всей жизни должным образом контролировать экспрессию генов. Такой контроль имеет принципиально важное значение на самых ранних стадиях развития, поскольку малейшее отклонение от нормального течения событий в ходе первых клеточных делений может приводить к серьезнейшим последствиям. Особенно это важно для зиготы — клетки, которая образуется при слиянии яйцеклетки со сперматозоидом. Зиготу и первые клетки, возникающие в результате ее деления, называют тотипотентными клетками. Они способны создавать все клетки эмбриона и плаценты. Исследователи и рады бы работать с этими клетками, но таких клеток слишком мало. Большинство работ выполняется с эмбриональными стволовыми клетками (ЭС-клетками). Много лет назад они произошли от реальных эмбрионов. Но нам больше не нужны эмбрионы, чтобы получать такие клетки: их можно культивировать в лаборатории. ЭС-клетки образуются на чуть более поздней стадии развития эмбриона и уже не обладают такими неограниченными возможностями, как зигота. Их называют плюрипотентными: они обладают потенциалом, позволяющим формировать клетки любого типа, кроме плацентарных.

В правильно подобранных и тщательно контролируемых лабораторных условиях ЭС-клетки делятся, создавая новые плюрипотентные стволовые клетки. Однако сравнительно небольшие изменения условий в культуре приводят к потере этой плюрипотентности. И тогда ЭС-клетки начинают дифференцироваться на более специализированные клеточные типы. Одно из самых резких и заметных изменений происходит, когда ЭС-клетки в процессе дифференциации превращаются в сердечные и вдруг начинают синхронно сокращаться в чашке Петри. Обычно ЭС-клетки могут идти по различным путям развития в зависимости от того, как с ними обращаются.

Ученые манипулировали такими искусственно культивируемыми ЭС-клетками, намеренно прекращая экспрессию примерно 150 из длинных некодирующих РНК, которые расположены вдалеке от каких бы то ни было известных нам генов, кодирующих белки. В ходе каждого эксперимента подавляли экспрессию всего одной длинной некодирующей РНК. Обнаружилось, что в десятках случаев достаточно выключить всего одну длинную некодирующую РНК. чтобы ЭС-клетки утратили плюрипотентность и дифференцировались, давая клетки иных типов. Экспериментаторы проанализировали, какие гены экспрессируются до и после такого подавления длинных некодирующих РНК. Выяснилось, что свыше 90% этих РНК прямо или косвенно контролируют экспрессию генов, кодирующих белки. Во многих случаях отключение одной длинной некодирующей РНК влияло на экспрессию сотен генов, кодирующих белки. Причем почти всегда речь шла о генах, расположенных вдали от подавляемой РНК, а не вблизи.

Те же исследователи провели и обратный эксперимент. Они подвергли ЭС-клетки воздействию вещества, которое (как было известно заранее) вызывает дифференциацию. Затем проанализировали экспрессию в интересующем их классе длинных некодирующих РНК. Выяснилось, что экспрессия примерно 75% этих РНК падала по мере того, как клетки утрачивали плюрипотентность и проявляли готовность к дифференциации. Эти два набора данных вполне согласуются с гипотезой, в которой утверждается, что уровни экспрессии определенных длинных некодирующих РНК действуют как «сторожа», поддерживающие ЭС-клетки в плюрипотентном состоянии¹³. Похоже, эти некодирующие РНК все-таки выполняют в клетке какую-то функцию — по крайней мере, на ранних стадиях развития организма.

Некоторые длинные некодирующие РНК могут оказывать влияние и на более поздние стадии развития. Мы уже встречались с Hox-генами в главе 4 — они играют важную роль при формировании частей тела. Именно мутация этих генов у дрозофил может приводить к необычным последствиям: скажем, на головке мушки вырастают лапки. Hox-гены располагаются в геноме кластерами. Эти области необычайно богаты длинными некодирующими РНК, однако в них мало древних вирусных повторяющихся последовательностей. Ученым очень хотелось выяснить, влияют ли длинные некодирующие РНК на деятельность Hox-генов, расположенных на том же участке генома. Для этого исследователи применили методику, уменьшающую экспрессию определенной длинной некодирующей РНК в области расположения Hox-генов у зародышей цыплят. Уменьшение экспрессии этой РНК привело к тому, что развитие конечностей у зародышей пошло не так, как полагается. Кости ближе к концам конечностей оказались аномально короткими¹⁴. Похожий результат: подавление экспрессии другой длинной некодирующей РНК в аналогичном геномном регионе мышей привело к неправильному формированию костей позвоночника и запястий¹⁵. Эти результаты говорят о том, что длинные некодирующие РНК играют важную роль как регуляторы экспрессии Hox-генов, а следовательно, и как регуляторы развития конечностей.

Длинные РНК и рак

Онкологические процессы можно считать в каком-то смысле оборотной стороной процессов развития. Одна из проблем при раковых заболеваниях — в том, что зрелые клетки могут меняться, вновь обретая некоторые характеристики менее специализированных клеток, и их способность к неуправляемому делению возрастает. Если вспомнить, какую важную роль играют длинные некодирующие РНК в плюрипотентности и развитии организма, мы вряд ли удивимся, узнав, что некоторые из них теперь связывают с онкологическими процессами.

В рамках одного из масштабных исследований анализировалась экспрессия длинных некодирующих РНК в более чем 1300 отдельных злокачественных опухолях четырех типов рака (простаты, яичников, разновидности опухоли мозга (глиобластомы) и особой формы рака легких). У пациентов, умиравших от этих болезней, обнаружили примерно сотню длинных некодирующих РНК с высокими уровнями экспрессии. Девять из этих РНК демонстрировали связь с онкологическими заболеваниями вне зависимости от того, какой тип рака исследовался. А значит, они могли бы, вероятно, служить более общими индикаторами, позволяющими предсказывать шансы пациента выжить¹⁶.

Для трех из этих типов рака (рак простаты оказался исключением) в ходе того же исследования обнаружилось, что можно выявить длинные некодирующие РНК, отличающие один подкласс опухолей от другого. К примеру, у рака яичников существует целый ряд разновидностей, выделяемых в зависимости от того, какие типы клеток затрагивает болезнь. Это влияет как на «историю» развития опухоли у пациента, так и на прогнозы, которые делают врачи, и на выбор методик лечения. Возможно, в будущем анализ экспрессии определенных длинных некодирующих РНК в пробах биоматериала, взятого из опухолей, поможет медикам выбирать оптимальную стратегию лечения каждого отдельного пациента.

Количество работ, где сообщается о связи между экспрессией длинных некодирующих РНК и раком, постоянно растет. Генетические исследования онкозаболеваний также приводят к интригующим результатам. Причина некоторых их разновидностей — единичная, но очень сильная мутация, наследуемая в пределах одной семьи. Возможно, наиболее известный пример здесь — мутантный ген BRCA1, чрезвычайно увеличивающий риск развития агрессивной формы рака груди у женщин. Именно знание о том, что у нее есть мутация данного гена, побудило актрису Анджелину Джоли пойти на двойную мастэктомию в 2013 году. Такие сильные мутации отдельного гена довольно редки при раковых процессах, но ряд исследований показал, что целый ряд онкологических заболеваний несет в себе генетический компонент. Проблема в том, что когда ученые стали выяснять, где именно возникают генетические вариации, связываемые с повышенным риском рака, обнаружилось, что такие изменения часто происходят к областях генома, где нет генов, кодирующих белки. Среди более чем 300 изученных вариаций такого типа, связываемых с онкологическими процессами, лишь 3,3% меняли аминокислотный состав белка, зато свыше 40% располагались в зонах между обычными, «классическими» генами, кодирующими белки. Возможно, такие вариации влияли не на гены, кодирующие белки, а на длинные некодирующие РНК. Недавние исследования подтвердили это предположение для некоторых из таких вариаций по меньшей мере в случае двух разновидностей рака (папиллярного рака щитовидной железы и рака простаты)¹⁷.

Последние результаты исследований свидетельствуют о том, что в некоторых случаях длинные некодирующие РНК не просто как-то связаны с онкологическими процессами, а сами реально меняют поведение раковых клеток. И это вселяет в наши души некоторый оптимизм.

Так, существует длинная некодирующая РНК, чья экспрессия повышается при раке простаты. Эта сверхэкспрессия вызывает понижение экспрессии важнейших белков, которые обычно удерживают клетку от слишком быстрого размножения^18,19. А значит, сверхэкспрессия этой длинной некодирующей РНК производит такое же действие, какое произвели бы мы, сняв с ручного тормоза автомобиль, припаркованный на склоне холма. Длинная некодирующая РНК, вызывающая деформации скелета, если ее отключают у развивающихся мышей, претерпевает сверхэкспрессию при многих разновидностях рака, в том числе при раке печени²⁰, колоректальной области²¹, поджелудочной железы²², груди²³. Выявив ее сверхэкспрессию, медики дают пациентам неблагоприятный прогноз. Исследования раковых клеток, культивируемых в лабораторных условиях, позволяют предположить, что эта длинная некодирующая РНК, возможно, увеличивает риск метастаз — миграции больных клеток в другие области организма.

Едва ли не самые убедительные свидетельства активной роли длинных некодирующих РНК в онкологических процессах удается получить при изучении рака простаты. Вначале рост новообразований зависит от уровня мужского гормона тестостерона. Тестостерон связывается со специфическим рецептором, что приводит к активированию различных генов, способствующих размножению клетки. Такое связывание тестостерона напоминает нажатие на педаль газа. На первой стадии рак простаты лечат при помощи препаратов, останавливающих связывание гормона с его рецептором, как если бы между вашей ногой и акселератором вставили какой-то предмет, мешающий нажимать на газ.

Но со временем раковая клетка находит способ обойти это препятствие. Рецептор гормона ухитряется активировать гены вне зависимости от того, присутствуют ли поблизости молекулы тестостерона. Это как если бы кто-то водрузил мешок сахара на педаль газа. Педаль останется в нажатом состоянии и будет ускорять вашу машину, даже если вы задерете обе ноги на приборную панель. Ученые показали, что основную роль в этом онкологическом процессе играют две длинные некодирующие РНК, которые проявляют сильную сверхэкспрессию при агрессивной форме рака простаты. Эти РНК способствуют воздействию рецептора, усиливая генетическую экспрессию, даже когда рядом нет гормона, и ускоряя размножение клеток. Иными словами, такие РНК играют роль мешка сахара на педали газа. Если же в модельных системах, с помощью которых изучают рак, подавить экспрессию этих особых длинных некодирующих РНК, рост опухолей резко замедляется. Вот еще одно подтверждение важнейшей роли, которую играют данные молекулы²⁴.

На рак простаты оказывает влияние еще одна длинная некодирующая РНК. Чем выше ее содержание, тем агрессивнее онкологический процесс, короче период рецессии после курса лечения и выше риск летального исхода. Подавление этой длинной некодирующей РНК оказывает при изучении онкологических моделей эффект, подобный описанному выше. Однако, по-видимому, в данном случае происходящие процессы не имеют прямого отношения к взаимодействиям с тестостероновым рецептором²⁵. По-видимому, длинные некодирующие РНК могут самыми разными путями влиять на развитие рака, даже в опухоли одного типа.

Длинные РНК и мозг

Выяснением функций этих молекул интересуются не только онкологи. В мозгу экспрессируется больше длинных некодирующих РНК, чем в какой-либо другой ткани или органе (возможное исключение — семенники)²⁶. Некоторые такие РНК даже остались неизменными при эволюционном переходе от птиц к человеку: их экспрессия проявляется точно так же, в тех же областях и на тех же стадиях развития. Возможно, они сохранили и свои функции (вероятно, влияющие на нормальное развитие мозга). Однако многие из длинных некодирующих РНК, экспрессируемых в мозгу, специфичны для человека или приматов в целом. Ученые задумались: может быть, такие РНК отвечают (хотя бы отчасти) за чрезвычайно сложные когнитивные и поведенческие функции, отличающие высших приматов? ²⁷

Удалось выявить длинную некодирующую РНК, которая влияет на то, каким образом клетки мозга образуют связи друг с другом²⁸. Еще одна длинная некодирующая РНК, возникшая при нашем эволюционном отделении от крупных человекообразных обезьян, может участвовать в регуляции гена, необходимого для уникальных процессов развития, формирующих кору головного мозга человека²⁹.

Эти примеры, помимо всего прочего, позволяют сделать предположение, что длинные некодирующие РНК играют в мозгу положительную роль. Впрочем, они могут способствовать и развитию патологий. Болезнь Альцгеймера — губительное слабоумие, которое обычно связывают с процессами старения. Поскольку средняя продолжительность жизни человека увеличивается, болезнь Альцгеймера становится все более распространенным недугом. По данным Всемирной организации здравоохранения, более 35 миллионов человек по всему миру страдают старческим слабоумием, и этот показатель может удвоиться к 2030 году³⁰. Пока нет препарата, который излечивал бы эту страшную болезнь. Существующие лекарства лишь замедляют ее развитие. Эмоциональные и экономические потери от нее колоссальны, но разработка новых методик лечения идет чудовищно медленно. Отчасти это вызвано тем, что пока еще не понятно, какие именно нарушения происходят в клетках страдающих болезнью Альцгеймера.

По меньшей мере одна важная стадия этого процесса — выработка нерастворимых бляшек в мозгу (их можно обнаружить при аутопсии). Эти бляшки состоят из неправильно сложенных белков. Главный среди них — бета-амилоид. Он синтезируется, когда фермент BACE1 разрезает более крупный белок. Одна из длинных некодирующих РНК вырабатывается на том же участке генетической последовательности, что и BACE1, только на противоположной нити ДНК (вспомним Xist и Tsix).

Эта длинная некодирующая РНК и стандартная информационная РНК фермента BACE1 связываются друг с другом, что делает BACE1-РНК более стабильной, и она остается в клетке дольше. А потому клетка может синтезировать больше копий белка BACE1. Это приводит к росту производства бета-амилоида, важнейшего игрока в процессе формирования бляшек³¹.

Похоже, что уровень содержания этой длинной некодирующей РНК повышается в мозгу пациентов, страдающих болезнью Альцгеймера. Впрочем, эти данные трудно интерпретировать. Возможно, такое повышение — всего лишь следствие общей повышенной экспрессии в этой области. Вспомните аналогию, которую мы приводили выше: чем больше бревен вы пилите, тем больше опилок получается. Ученые нашли способ уменьшить экспрессию лишь этой длинной некодирующей РНК у модельных мышей, часто проявлявших альцгеймеровскую патологию. И подавление этой длинной некодирующей РНК привело к уменьшению содержания белка ВАСЕ1 и содержания бета-амилоидных бляшек! Вот вам подтверждение идеи, согласно которой эта длинная некодирующая РНК — одна из причин этой губительной болезни³².

Длинные некодирующие РНК могут влиять не только на центральную нервную систему. Нейропатическая боль — состояние, при котором пациент испытывает неприятные, болезненные ощущения даже при отсутствии физических раздражителей. Ее причиной служит аномальная электрическая активность нервов, по которым сигналы от периферии тела передаются в центральную нервную систему (в головной и спинной мозг). Это заболевание бывает очень мучительным, причем обычные болеутоляющие вроде аспирина или парацетамола почти не помогают. Зачастую неясно, почему нервы ведут себя столь аномальным образом. Авторы одного из недавних исследований предполагают: в некоторых случаях причиной может стать рост содержания длинной некодирующей РНК, способной изменять уровни экспрессии в одном из таких электрических каналов. Она связывает молекулу информационной РНК, кодирующую данный канал, тем самым меняя ее стабильность, а, значит, и количество вырабатываемого белка³³.

Сейчас выявляются все новые и новые типы заболеваний, одной из причин которых (как заявляют исследователи) служат длинные некодирующие РНК³⁴. Однако по-прежнему ведутся споры о том, насколько важную роль играют эти длинные некодирующие РНК и насколько активно они функционируют. Могут ли они играть такую же существенную роль в организме, как белки? Вероятно, на индивидуальном уровне ответ будет, как правило, отрицательным, если только мы не имеем дело с такой явно жизненно важной молекулой, как Xist. Но, возможно, не имеет особого смысла рассматривать влияние отдельных длинных некодирующих РНК.

Недавно ученые мимоходом выдвинули такую гипотезу: «Существует немалая вероятность, что многие из этих длинных транскриптов в лучшем случае лишь слегка корректируют процессы управления геномом, подталкивая или искажая их, но при этом не являясь непосредственными выключателями процессов»³⁵. Однако сложность и гибкость описываемых механизмов зависит главным образом, метафорически говоря, не от черно-белой картины, не от включения/выключения динамиков, а от тонких градаций громкости звука, от оттенков серого. Возможно, с биологической точки зрения мы очень многим обязаны этим подталкиваниям и искажениям.